גילוי המנגנון שיקדם מוליכות-על נגישה

מוליך-על הוא חומר שזרם חשמלי עובר בו ללא כל התנגדות. תחומי התחבורה, הרפואה, האנרגיה, המחשוב ועוד, יתייעלו פלאים אם תשולב בהם טכנלוגיית מוליכי-על, אבל מוליכי-על מתפקדים רק בטמפרטורות נמוכות במיוחד ולכן השימוש בהם בטכנולוגיה מאוד מוגבל. מחקר חדש שפורסם בכתב העת Nature תורם להבנתם ועשוי להיות צעד אל עבר מוליכות-על נגישה הרבה יותר.

המחקר בתחום מוליכות-העל מתמקד בחיפוש מוליכי-על שאינם דורשים טמפרטורות נמוכות מאוד. החידה הגדולה ביותר במחקר בתחום היא כיצד פועלים מוליכי-העל האלו. מחקר שבוצע במחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בר-אילן משתמש במיקרוסקופ מגנטי ייחודי כדי לצלם תופעה שנחשבה עד עכשיו בלתי נראית ויכולה אולי לענות על החידה.

חומרים מוליכי-על מפתיעים את הקהילה המדעית, שמצפה שמוליכות-על טובה תופיע רק במתכות, אבל בפועל היא מתגלה גם בחומרים קֶרָמִיים מבודדים. עם השנים התברר שבחומרים אלו האלקטרונים אינם יכולים לנוע בחופשיות, אלא הם כלואים  במבנה סריגי (מהמילה "לסירוגין"). לאלקטרונים יש שתי תכונות יסודיות – אחת מטען חשמלי (שאחראי על הולכת החשמל) והשנייה תכונה קוונטית שנקראת "ספין" (בעברית "סחריר").  אפשר לדמיין את הספין כמגנט קטן, עם שני קטבים  שנמשכים או דוחים זה את זה.

בדרך כלל לכל אלקטרון יש מטען וספין משלו, ולא ניתן להפריד ביניהם, אך קיימים חומרים קוונטיים בהם האלקטרון "נשבר" לשני חלקים, אחד עם מטען והשני ספין, וכל אחד מתנהג כחלקיק עצמאי. "נוזל ספינים קוונטי" הוא דוגמה למצב כזה, ויתכן שהמצב הזה מאפשר מוליכות על.  אחת התכונות המסקרנות של נוזל הספינים הקוונטי היא שהוא "בלתי נראה", כלומר אין לו חתימה אופיינית שמאפשרת למדוד אותו בניסוי ולכן, הידע אודות נוזלי ספינים מבוסס על תצפיות בלתי ישירות.

במחקר שביצעו פרופ' בינה קליסקי והדוקטורנט אילון פרסקי מהמחלקה לפיזיקה והמרכז לננוטכנולוגיה וחומרים מתקדמים באוניברסיטת בר-אילן, עם שותפים מישראל ומחו"ל, נבחן הקשר בין מוליכות-על ובין נוזל ספינים באמצעות חומר מהונדס, שבנוי משכבות מתחלפות של שני חומרים - אחד הוא מוליך-על והשני חשוד כנוזל ספינים. המבנה השכבתי מאפשר אינטראקציה בין שני החומרים. החוקרים גילו שמוליך העל משתנה בעקבות הקירבה לנוזל הספינים, ובאמצעות השינויים הללו הצליחו לראות אותו.

החוקרים צילמו את מוליך העל בעזרת מיקרוסקופ מגנטי יחודי וגילו שינויים במוליך העל שבאופן טבעי מתרחשים בגלל נכחות של שדה מגנטי. זאת למרות שהחומר שחקרו אינו מגנטי כלל. התוצאות מצביעות על מצב מגנטי שמקורו בנוזל הספינים. ההפרדה היחודית בין מטען לספין מאפשרת ליצר מצב מגנטי חבוי שמשפיע על מוליכות העל מבלי ליצר שדה מגנטי אמיתי. 

זוהי למעשה התצפית הישירה הראשונה של הקשר בין שני מצבי החומר הללו, מוליך על ונוזל ספינים קוונטי. התגלית, שההצמדה של שני המצבים אינה הורסת את נוזל הספינים, אלא מייצרת תגובה שאפשר למדוד, פותחת דלת להנדסת חומרים נוספים ולהבנת טובה יותר של תופעת מוליכות העל.

מאת שחר שלוח